信息源按加工深度划分_铝合金插铣加工切削力分析及成屑弧区划分
編者按
利用鋁合金插銑加工試驗,從切削理論角度建立了切削力與刀具轉角、瞬時每齒切削厚度的理論計算關系。基于切向/法向切削力的變化規律,將切削弧區劃分為擠壓區、劃擦區和切削區。
當前航空航天產品為滿足輕量化要求,絕大部分采用典型的深腔、減重槽框和空心薄壁等結構。由于極大的材料去除量和典型的弱剛性結構,采用傳統加工方式及加工工序存在加工效率低、刀具系統剛度差和加工難度大等一系列問題。基于這一現狀,近年來國內外學者提出了高速插銑加工方式。插銑加工又稱為Z軸銑削法,即在數控加工過程中,刀具沿刀軸方向直線進給,利用底部的切削刃進行鉆、銑組合切削,是一種能夠在Z方向上快速去除大量金屬的加工方式,主要用于粗加工和半精加工。本文采用切削試驗,建立了刀具切削角與瞬時切削力的關系,研究了切削力系數隨每齒切削材料面積的變化規律。
1. 試驗安排及方法
試驗在DMG MORI 1035V三軸加工中心上進行(見圖1),機床最大轉速為12 000r/min。切削力測量系統為Kistler 9253B23多分量測力儀、Kistler 5070A電荷放大器(見圖2)以及相應的數據采集與處理系統。試驗刀具為山特維克可樂滿機夾式刀具,直徑為25mm,齒數為2。刀具后角為21°,刀尖圓角直徑為0.8mm(見圖3)。試驗材料為典型2A12硬鋁合金鍛件。切削參數為刀具轉速n=6 000r/min,每齒進給量fz=0.05mm/z,切寬ae=1mm。
圖1 DMG MORI 1035V三軸加工中心
圖2 Kistler 5070A電荷放大器
圖3 機夾式刀具
2. 試驗結果及討論
圖4所示為典型插銑加工刀具每齒運動軌跡示意圖,可以看出瞬時實際每齒切削厚度ae’是隨刀具轉角φ呈現先增大(0°
圖4 插銑加工每齒運動示意
圖5 實際每齒切削厚度ae'/徑向切削深度ae隨刀具轉角φ變化趨勢
式中,ae' 為實際每齒切削厚度(mm);ae為徑向切削深度(mm);φ為刀具轉角(°);Dc為刀具直徑(mm),本試驗默認為25mm。實際每齒切削厚度ae' /徑向切削深度ae隨刀具轉角φ變化趨勢具體如圖5所示,可以發現實際每齒切削厚度ae' 在刀具轉角φ=90°時達到最大值,等于徑向切削深度ae,在刀具切入/切出階段,實際每齒切削厚度ae' 最小。
將瞬時切削力按照刀具切向Ft分力和法向Fn分力分解合成,并建立與瞬時轉角的關系,具體如式(2)及圖6所示。
a) 切削力Ft隨刀具轉角φ變化規律
b)切削力Fn隨刀具轉角φ變化規律
圖6 切削力刀具轉角φ變化規律
從圖6a可以發現,對于切向切削力Ft,其大小隨刀具轉角φ呈現對稱分布,并且在φ=90°時達到最大值。另一點在于當φ=20°和φ=160°時呈現明顯的低谷。分析認為當刀具轉角φ在0°~20°和160°~180°范圍內由于最小切厚理論,此時刀具并沒有切除材料。原因之一在于過小的切厚導致材料受力發生彈性變形退讓;原因之二在于刀具刃口圓角的存在,使得被去除材料受刃口圓角的擠壓并沒有被去除。在這一階段刀具后刀面僅僅是在加工表面發生擠壓,并不成屑。當刀具轉角φ在20°~90°范圍內時,根據金屬切削理論,隨著瞬時切厚ae' 的不斷增大,意味著在刀具前刀面(即第一變形區)發生剪切滑移變形的材料厚度不斷增加,這導致了切向切削力Ft的不斷增大。同理在90°~160°范圍內瞬時切厚ae'其變化趨勢隨著刀具轉角φ的增大而不斷減小。
對于法向切削力Fn的分析可以發現(見圖6b),切削力整體相對于φ=90°對稱(但是方向相反)。在刀具轉角φ=45°和φ=135°時法向切削力Fn達到最大值(但是方向相反),并且在0°~45°和180°~135°范圍內,是法向切削力Fn不斷增大的。結合上文的分析可以得到在這一區域屬于材料回彈區域,并且回彈隨著瞬時切厚ae'的增大而不斷加劇。同時可以發現在20°~45°范圍內,屬于刀具后刀面與工件材料作用的過渡區域,在這一區間屬于從擠壓階段向切削階段的轉變區域,屬于劃擦區域。(同理在135°~160°范圍內瞬時切厚ae'其變化趨勢隨著刀具轉角φ的增大而不斷減小)。可以發現當刀具刃口真正開始切除材料時(即φ=45°~135°范圍內),工件材料對刀具后刀面的擠壓回彈作用反而減輕,此時材料主要在刀具前刀面發生剪切滑移變形,具體如圖7所示。
圖7? 切削成屑弧區劃分
3. 結語
本文利用鋁合金插銑加工試驗,從切削理論角度建立了切削力與刀具轉角、瞬時每齒切削厚度的理論計算關系。基于切向/法向切削力的變化規律,將切削弧區劃分為擠壓區、劃擦區和切削區。切削弧區按照刀具轉角φ可以劃分為三個區域:
區域一:0°~20°(160°~180°)范圍內,刀具僅僅在材料表面擠壓滑行,并不成屑。
區域二:20°~45°(135°~160°)范圍內,刀具在材料表面發生劃擦,屬于從擠壓滑行向切削成屑轉變的過渡階段。在這一范圍內既有刀具后刀面與材料的回彈擠壓作用,也有材料受刀具前刀面的剪切成屑作用。
區域三:45°~135°范圍內,材料主要發生剪切滑移變形,屬于正常切削過程。
本文發表于《金屬加工(冷加工)》2020年第9期第60~62頁,作者:?上海智能裝備有限公司?秦文津,上海航天精密機械研究所? 周井文、任培強,原標題:《鋁合金插銑加工切削力分析及成屑弧區劃分》。-End-?來源:金屬加工?本文編輯:李彥熹??媒體合作: 010-88379864相關閱讀
|?專家教你解決加工中心四軸復雜工件的難題|?在線論壇回顧丨發動機制造工藝的夾具革新|?金粉講堂回顧 | 航空三大部件如何加工?十多個實例講得明明白白總結
以上是生活随笔為你收集整理的信息源按加工深度划分_铝合金插铣加工切削力分析及成屑弧区划分的全部內容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇: 深入学习二叉树(四) 二叉排序树
- 下一篇: 反应特别慢_酶促反应与普洱茶的制作